西安建筑科技大学水质工程学资料

西安建筑科技大学教 案20062007学年第一学期院(系)环境与市政工程学院教研室(研究所)给排水教研室课 程 名 称水质工程学II授课专业班级给水排水工程专业2003级0104班主 讲 教 师袁宏林 职 称 职 务副教授使 用 教 材水质工程学（第一版，李圭白、张杰主编）西安建筑科技大学教务处制二六年八月课本内容结构水质工程学：关于水中杂质（污染物）的分离习惯上称“水处理”第1篇水质与水处理概述第2篇物理化学及物化处理工艺第3篇生物处理理论与技术第4篇 水处理工艺系统最终目的：解决实际问题本课程的特点1. 是一门主要专业课，应用科学，涉及面很广。工程技术领域：涉及土木工程、化工工程、机械工程、电气工程、数理化等；生物科学领域：涉及微生物学、生物学、水生物学、植物学等；地质地理科学：涉及水文学、气象学、地质学、环境科学等；社会经济领域：涉及社会学、经济学、政治、法律、管理等；信息科学领域：涉及地理信息科学、数据信息库等档案学；系统工程领域：立体多向、多方位。2. 技术发展很快。新技术替代传统技术，高新技术不断出现。3. 理论上还不够完善。有些科学现象的内在理论关系还不够明了，存在经验公式和经验数据，正处于“实践认识再实践再认识”的前半段。4. 我国的技术装备水平很低。与国外发达国家相比，我们的技术水平、设备性能、管理水平、研究层面、成果推广能力等依然很差。还要做的工作太多太多，希望大家努力，能成为大师。学习要求1. 注意听讲，善于做笔记（这是专业学习的基本素质）；2. 多看参考书：给水排水、中国给水排水、环境工程，Water research、Water science technology；3. 勤于思考，多问为什么。第2篇 物理、化学及物理化学处理工艺原理上学期学过了混凝、沉淀、过滤、吸附、氧化、离子交换、膜分离技术等。这些技术都比较通用、成熟。是水处理的重要技术方法。第12章 其他处理方法12.1 中和顾名思义-酸碱中和：处理酸性废水、碱性废水、调节pH值。 废水排入水体之前，将pH值调至69之间； 废水排入下水道之前，将pH值调至合适的范围，否则腐蚀管道； 化学处理或生物处理之前，将pH值调至合适的范围（混凝、生物反应）。12.1.1 基本原理化学法：中和剂：酸或废酸（HCl，H2SO4）；碱或废碱（NaOH，烧碱）、碱性氧化物（石灰、石灰石、电石、白云石、苏打）。 中和相：液液，液固，因此出现中和池、过滤中和池。原 则：对于酸碱废水，浓度较低时，酸碱中和使之中性；浓度较高时，考虑回收和综合利用。尽量采用以废治废，中和剂要就地取材。12.1.2 酸碱废水互相中和法要求等当量、等摩尔量。 （12-1）Q-是流量，C-是酸或碱的摩尔浓度（H+ mol/L，OH- mol/L）。强酸+强碱，等当量点处pH=7；其一为弱酸或弱碱时，等当量点处pH7，因为弱酸盐或弱碱盐在水中缓慢水解，pH值与时间和水解度有关。12.1.3 药剂中和法（1）药剂中和酸性废水石灰：生石灰CaO，熟石灰Ca(OH)2，同时发生化学沉淀和混凝作用，去除悬浮物较好，但是产生大量化学污泥，处置成为问题。另外，药剂表面形成钙盐阻止反应进一步进行，因此药剂颗粒要小（0.5mm）。白云石：CaCO3中和酸后产生CO2气体，容易再形成重碳酸钙，反应缓慢，一般不用。苛性钠：烧碱NaOH，属于强碱，应用较多。耗碱量计算： （12-2）Ga 耗碱量，kg/dQ 酸性废水量，m3/dC1 废水含酸浓度，kg/m3a1 中和1kg酸的需碱量，kg/kgC2 废水中含的酸性盐浓度，kg/m3 （主要是弱酸盐水解）a2 中和1kg酸性盐的需碱量，kg/kgK 不均匀系数，混合不均匀、反应不彻底因素药剂纯度，%理论计算如此，与实际用量有较大差别，需要实验确定。沉淀的泥量也要实验确定。（2）药剂中和碱性废水最常用药剂是HCl，H2SO4，还有酸性气体（CO2，SO2，H2S），烟道除尘废水一般为酸性，是典型的以废治废。12.1.4 过滤中和法酸性废水流过滤料时与滤料中碱性物质进行中和反应，称过滤中和法。适合低浓度，操作方便、运行费低。滤料（石灰石、大理石、白云石）。由于中和后产生沉淀覆盖滤料表面，会阻止反应继续进行，选择产物易溶于水的滤料。另外水中悬浮物不能太高，易堵。中和滤池：普通平流式、竖流式（图12-1），升流膨胀中和滤池（图12-2）。12.2 化学沉淀为去除水中某些离子（阳离子、阴离子），向水中投加阴离子、阳离子使之对应形成难溶盐而沉淀去除的方法。主要是：重金属离子（汞、镉、铅、铬等）；碱土金属（钙、镁）；非金属（硫、氰、氟、砷等）。12.2.1 基本原理容度积原理：在一定温度下，含有难溶盐MnNm的饱和溶液中，离子浓度的乘积为一常数，称为溶度积常数LMnNm。 （12-4）选择沉淀剂：化学手册溶度积表。系统工艺：同混凝沉淀，混合+反应+沉淀/气浮/过滤+泥渣处理。常用沉淀剂：氢氧化物、硫化物、钡盐。12.2.2 氢氧化物沉淀法许多金属离子遇碱可以生成氢氧化物沉淀。氢氧化物的沉淀与体系pH值有关，见教材p352353。另外，有些金属氢氧化物沉淀物具有两面性，在不同pH下具有酸性或碱性。例如，Zn，Pb，Cr，Sn，Al等。12.2.3 硫化物沉淀法许多金属离子遇S2-可以生成硫化物沉淀。大多数金属离子的硫化物的溶解度比其氢氧化物的溶解度要小，采用硫化物沉淀剂更好。硫化物的沉淀与体系pH有关。常用硫化物沉淀剂有：H2S、Na2S、K2S等。但是，处理成本高，需要再加混凝剂加速沉淀，不常采用。12.2.4 钡盐沉淀法钡盐去除阴离子，主要是Cr6+/CrO42-、SO42-。常用钡盐有碳酸钡、氯化钡、硝酸钡、氢氧化钡。12.3 电解12.3.1 基本原理电解质溶液在直流电场作用下，发生电化学反应的过程称电解。直流电源电解槽原理图（1）法拉第电解定律电解时在电极上析出或溶解的物质质量与通过电量成正比，并且每通过96487库伦（C）电量时，每个电极上物质变化量为1mol。 （12-12）式中，G析出的或溶解的物质的量，g；F法拉第常数，即1mol电子的总电量，F=96487C/mol；E比例系数，得失1mol电子所析出或溶解的物质的量，g/mol；Q通过的电量，库伦C；I电流强度，A；t电解时间，秒s。这是理论计算，由于存在许多副反应，实际耗电量远远大于理论值。在工程上需要测试或加上系数。（2）分解电压与极化现象分解电压：能使电解正常进行的最小外加电压。低电压无电流，较低电压小电流无物质析出/溶解，较高电压出现物质析出/溶解，即为分解电压。原因是极化现象。极化现象：电解槽本身是原电池，其电动势与外加电源电动势方向相反，外加电压必须克服电解槽的反电动势。但是还不发生电解，分解电压还要大于反电动势时才能正常电解。这种现象极化现象。原因：浓差极化；离子运动（阳离子阴极，阴离子阳极）存在浓度梯度，即阻力。化学极化；阴阳极的析出物相互构成原电池，形成反电势，要克服。电解槽内阻；电解槽通过电流有电阻，同电线。另外还与电极性质、水的性质、电流密度、温度等有关。12.3.2 电解槽的结构形式和极板电路（1）电解槽矩形槽，内装极板，外接直流电源。图12-3（p357），水平回流电解槽、竖向翻腾电解槽。水平回流电解槽：流程长、容积利用率高，施工检修困难。竖向翻腾电解槽：极板悬挂防漏电、更换方便、易于施工和检修，但是容积用率低。（2）极板电路图12-4，按连线方式不同，分为单极性电解槽、双极性电解槽。单极性易短路，双极性更安全，普遍采用。12.3.3 电解氧化法处理含氰废水氢化物CN-，化工废水产生，有毒。常用电解法处理。直接电解、加食盐电解效果更好。 阅读课本p35812.3.4 电解氧化法处理含酚废水化工、炼油等工业产生，电解处理，石墨阳极。直接电解、加食盐电解效果更好。12.3.5 电絮凝气浮处理工艺较新工艺，电解时阳极溶解，比如铁、铝阳极由于失去电子生成Fe2+/Fe3+或Al3+，与水中的OH-结合；同时电极上产生气体（H2、O2、CO2、N2）。（1）发生混凝，（2）气浮，（3）沉淀，（4）氧化还原。12.4 吹脱、汽提法原水中或水处理过程中，经常会含有或产生溶解性气体（CO2、H2S、HCN、NH3、CS2等）及挥发性有机物，影响系统或有害，必须人为去除。原理：向水中通入气体（气泡），增大液气相界面，促使水中溶解气体向气相转移，并随气泡上升溢出。常用气体：空气，水蒸汽。前者叫吹脱，后者叫汽提。问题：有害气体的回收再处理需要重视。 p359361自学。12.5 萃取法12.5.1 基本原理自然界有许多物质在水中的溶解度要小于在其它液体中的溶解度。据此产生了萃取分离法：向废水中投加与水不互溶、但比水更能溶解污染物的溶剂，接触混合后，大量污染物会进入溶剂中，水得到进化，再将溶剂与污染物分离。溶剂称“萃取剂”，被萃取的物质称“溶质”，萃取后的萃取剂称“萃取液”，残余的称“萃余液”。分配系数：萃取达到平衡时，溶质在萃取相中的浓度y与在水中浓度x的比值D，D=y/x。对于实际废水， D=y/xn 提高萃取效率的途径（1）增大两相接触面积，小液滴、搅拌。（2）增大传质系数，水质预处理、使萃取剂分散合并再分散再合并。（3）增大传质推动力，增大浓度梯度逆流萃取。选矿技术就是萃取法。12.5.2 萃取剂的选择与再生（1）萃取剂选择考虑因素：分配系数D、分离性好、稳定性好、来源稳定、容易再生。（2）萃取剂再生物理法：蒸馏或蒸发化学法：反萃取，投加化学物质与溶质，反应、沉淀分离。12.5.3 萃取工艺（1）操作过程：混合分离/分层回收/再生（2）操作方式：间歇式、连续式；单级萃取、多极萃取（错流，逆流）。本章重点：基本概念、原理，常用药剂。第3篇 生物处理理论与技术背景知识生物处理：利用微生物的新陈代谢作用，分解（降解）水中复杂的有机物，将其转化为稳定的无机物，水体得到净化。这一过程叫生物处理。古时候，人类的生活、生产废水，直接排入河流或土壤，经过一段时间后，污水中的脏东西（污染物）消失了，但是物质不灭，实际上是由于水、土壤中的微生物分解了有机物，并从中获得能量和原料生成无机物、自身繁殖。在当时，污染物排放量较少、大自然的环境容量很大，人们不知道也没有必要知道其中的原理，因为自然系统能够保持自身平衡。随着人类的发展，生活、生产排放污水越来越多，单靠自然的能力已不能完全降解，人类研究降解或不降解的现象，逐渐了解了自净规律并将其人工强化。后来，发展为活性污泥法水体自净规律的人工强化 生物膜法土壤自净规律的人工强化 大自然是人类的老师此法是强化好氧菌的作用，还有强化厌氧菌的厌氧消化法。分 类好氧法、厌氧法； 悬浮生长型活性污泥法、附着生长型生物膜法。第13章 活性污泥法13.1 活性污泥法的理论基础英国人发明，1914年在曼彻斯特建成试验厂，两年后1916年美国建成了世界第一座活性污泥法城市污水处理厂。我国最早建厂于目前活性污泥法仍然是最常用的工艺，也是其它革新工艺的基础。适用于生活污水、城市污水、有机工业废水处理。13.1.1 活性污泥法的概念与基本流程（1）活性污泥由微生物（活的、死的）、有机物、无机物等组成，结构疏松、比表面积很大、褐色絮凝体；具有吸附并降解水中胶体性、溶解性有机物的活力，且自身凝聚沉降性能很好。（2）活性污泥法以水中有机物为基质，在水环境中有O2的情况下，依靠微生物吸附分解有机物，形成凝聚和沉降性较好的生物絮体，沉降分离后使污水得到净化。这种水处理方法称活性污泥法。（3）基本流程回流污泥剩余污泥处理水曝气系统（O2）污水活性污泥反应器曝气池二沉池图13-1 活性污泥法的基本流程系统组成：曝气池、二沉池、曝气系统、污泥回流系统、剩余污泥处理。曝气池：是消耗溶解氧、污染减少、微生物增长的一个环境场所。二沉池：泥水分离场所。13.1.2 活性污泥的形态与组成形态：絮绒装、颗粒状，黄褐色，d=0.020.2mm，常见的大片是许多小絮体结合在一起的现象。性能：以微生物为主，可分解有机物、消耗溶解氧，有很大的比表面积（20100cm2/ml）、吸附性强，可以相互凝聚由小变大，能量合适时沉降性很好，含水率99%，=1.0021.006，略带土壤芳香气味。组成：固体重量1%，含有机（占7080%）、无机成分。与水质有关。Ma具有活性的微生物（细菌、真菌、原生动物、后生动物）； Me微生物自身氧化的残体； Mi吸附、夹带在表面，但不可降解的有机物； Mii吸附、夹带的无机物。活性污泥形成絮凝体的原因 细菌的细胞膜由蛋白质形成，它易于离子化带负电（-），产生静电斥力； 菌体之间存在范德华力，产生引力； 有多种细菌可以分泌具有粘性的液体，促使菌胶团形成，动胶（明胶）学说。（EPS胞外聚合物）基于以上三点，活性污泥具有较强的自身凝聚性能。13.1.3 活性污泥微生物及其作用活性污泥中微生物群体包括：细菌、真菌、原生动物、后生动物，主要是细菌。微生物以有机物为起点就形成了食物链：图13-2。污水中有机物、N、P营养物溶解态悬浮态细菌真菌原生动物后生动物处理出水剩余污泥食物移动产物移动图13-2 活性污泥微生物群体的食物链（1）细菌细菌重量占微生物群体总重量的9095%，有些工业废水处理中高达100%。以异养型原核细菌为主，数量107108个/ml。最多是球菌、杆菌、链球菌，还有螺旋菌。具体那种占优势，与原水中营养基质和环境有关。比如含有蛋白质的水质利于产杆菌生长，含糖类的水质利于假单胞菌生长。细菌繁殖世代时间2030min。有些细菌（动胶杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属）可絮凝成团粒，称菌胶团，活性强、沉降性好、并可防止被微型动物吞噬，是活性污泥的主体。（2）真菌主要是霉菌和丝状菌。霉菌，常出现在pH值较低的污水中；丝状菌，适宜在缺氧的环境中生长。可以分解碳水化合物、脂肪、蛋白质、及其它含氮化合物，净化效率高，是活性污泥絮体的骨架。但也是污泥膨胀的主要原因，要合理利用和控制。（3）原生动物主要是肉足虫、鞭毛虫、纤毛虫3类。捕食细菌，是指示性微生物。 记住课本p368第34段。（4）后生动物主要是轮虫、线虫、瓢体虫，不常出现。水质要特别优异。微生物的作用：细菌降解有机物，原生动物捕食游离细菌，使水得到进一步净化，后生动物捕食原生动物，在延时曝气时可能出现。13.1.4 活性污泥微生物的增值规律纯菌种的间歇增殖规律已经学过水微生物学基础，细胞增长过程中存在“对数增长期、减速增长期、内源呼吸期”。同样，在多种菌种共存的条件下，活性污泥的增长也表现为p369图13-4反映的过程，存在适应期、对数增长期、减速增长期、内源呼吸期。下面从有机物量F、微生物量M、耗氧速率（有机物降解速率）、污泥活性四个方面分析各个阶段特征。 适应期 也称调整期、吸附期，底物投入后，微生物在新环境下与底物接触，先吸附但不分解，适应环境，酶系统发生变化，不分裂，但个体增大。时间较短515min。书上提到后期会发生增值，因量太少，一般不考虑。 对数增长期 吸附后，F/M高2.2，在O2充足的条件下，降解速度很快、生物增长也很快，耗氧量最大，污泥活性很强但松散、凝聚沉降性较差。 减速增长期 随着F、M、使得F/M，底物的量限制着微生物增长速度，增长速度越来越缓慢，部分微生物不得不分解体内营养及不易降解的有机物，逐渐活性变差、沉降絮凝性提高，某点处微生物数量达到最高、总降解速度最快，维持一定时间后，环境中已很少有营养可被摄取，进入内源呼吸期。 内源呼吸期 F/M很小，充分曝气，混合液中营养耗尽，几乎全部微生物只能分解体内营养以维持生命，活性变差、凝聚沉降性好，出现原生动物、污泥量减少、水变清。由以上分析看，要利用活性污泥净化污水，必须发挥其吸附性、降解性、凝聚沉降性，但对数增长期凝聚沉降性差、内源呼吸期降解太慢，只有减速增长期的末端同时具备较好的降解性、沉降性、供氧条件也容易满足。因此传统活性污泥法系统（普通曝气池）将反应条件控制在减速增长起末端。如何控制：有机物量F微生物量M之间的比例，即负荷。一是原水浓度，二是回流污泥。13.1.5 活性污泥净化污水的过程生物处理的实质是污染物（营养物）被转化为无机物和细胞质，活性污泥法即是如此。其净化反应过程复杂，包括物理、化学、物化、生化等。（1）初期吸附发生在510min内，吸附率达到70%，但是并未降解，只是转移。原因是存在物理吸附、生物吸附。怎样才能实现较好的吸附，与微生物活性、内部基质“饥饿”程度、外部基质浓度梯度、水力学条件有关。515min时间BOD有机物BOD变化曲线（2）微生物代谢15min后发生降解过程，图13-5（p372）。大分子+胞外酶小分子进入细胞壁完成新陈代谢。（3）沉降分离在基质及能量不足的情况下，活性污泥自身凝聚、沉降分离。13.1.6 环境因素对活性污泥微生物的影响目的：了解影响因素，创造最佳环境，发挥较好作用。（1）营养物质平衡营养物包括：碳、氮、磷、无机盐类、生长素等。碳源（COD、BOD）需求最多。氮源（N2、NH3、NO3-、蛋白质、胨、氨基酸）组成微生物细胞内蛋白质和核酸。磷源是合成核蛋白、卵磷脂及其他磷化合物的重要元素，代谢、物质转移、能量转移必不可少。需要的是无机磷无机盐需求少，但不可缺，主要的无机盐包括P、K、Mg、Ca、Fe、S，他们参与细胞结构的组成、能量的转移、控制原生质的胶态等；微量的包括Cu、Zn、Co、Mn、Mu，它们是酶辅基的组成部分、是酶的活化剂。营养物应有一定的比例，一般认为BOD5NP=10051。BODN无机盐=10052。污水处理过程中，如果营养比例不合适，需要人工投加相应的物质，特别是在系统启动阶段更为重要。（2）溶解氧条件好氧环境要求溶解氧浓度DO2mg/L，缺氧环境DO=0.51.0mg/L，厌氧环境DO=0。（3）pH值对于微生物反应来说，中性环境最为适宜，一般控制pH=6.58.5。原因：pH值引起细胞电荷变化影响微生物对营养物质的吸收；pH值与细胞酶性质有关影响代谢过程中酶的活性；pH与营养物可给性有关影响营养物质转化途径；pH值与有害去毒性有关许多重金属高价时毒性很大；pH改变蛋白质和核酸水解高浓度H+会引起菌体表面蛋白质和核酸水解而变质。（4）水温微生物要求T=25最适宜，一般控制T=1530。因此，寒冷地区反应器要保温，高温水要先冷却降温。（5）有毒物质毒性抑制产物抑制竞争抑制。可以驯化培养抗毒性微生物，特别在工业废水处理时。13.2 活性污泥的性能指标及参数13.2.1 活性污泥的性能指标（1）控制微生物量的指标 混合液悬浮固体浓度MLSSMLSS=Ma+Me+Mi+Mii， mg/l （13-4）测定：定量混合液（1L）、过滤、烘干、称重。 混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSSMLSS=Ma+Me+Mi， mg/l （13-5）测定：先测定MLSS，灼烧、称重灰分、减重即MLVSS。，代表有机性的比例，也代表活性。生活污水f = 0.75。（2）控制沉降性能的指标良好的活性污泥在30min内可完成絮凝沉淀、成层沉淀过程，然后进入压缩沉降过程。 污泥沉降比SV污泥沉降比SV混合液在100ml量筒中静沉30min后，沉淀污泥的体积占原混合液体积的百分数，（%）。（%） 污泥容积指数SVI污泥容积指数SVI曝气池出口混合液静沉30min后，1g干污泥所占污泥区的体积，ml/g。（ml/g）SVI值，反映活性污泥的松散程度、浓缩凝聚性、沉降性。过大，污泥松散、有机物多、活性强、沉降性差、有膨胀可能；过小，污泥密实、有机物少、活性差、易凝聚沉降；一般介于70100之间较好。（3）评判活性的指标活性即氧化能力，可用耗氧速率表示。比耗氧速率SOUR单位重量的活性污泥在单位时间内所能消耗的溶解氧的量，mgO2/(gMLVSSh)或mgO2/(gMLSSh)。SOUR/OUR大小与DO浓度、底物浓度及可生化性、污泥龄等有关。一个系统正常情况下OUR波动不大，突然下降时，说明原水中难降解物质突然增多、或有毒物进入。可以作为自动报警。OUR一般介于820 mgO2/(gMLVSSh)。仪器检测或计算，注意水温。13.2.2 活性污泥法的设计与运行参数（1）BOD污泥负荷Ns、BOD容积负荷NvNs单位时间、单位量的活性污泥所接受的有机物量。，kgBOD/kgMLSSd （13-8）Nv单位时间、单位容积曝气池所接受的有机物量。，kgBOD/m3d （13-9）单位时间、单位量的活性污泥所降解的有机物量。，kgBOD/kgMLSSd单位时间、单位容积曝气池所降解的有机物量。，kgBOD/m3dNV = NSX （13-10）前两个称为承受负荷，后两者称为处理负荷。（2）污泥龄（生物平均停留时间）污泥龄污泥（微生物）在曝气池中的平均停留时间，d，SRT。，d 污泥替换时间 （13-11） X = QwXr + (Q - Qw)Xe （13-13，13-14）Xr是剩余污泥浓度，也是回流污泥浓度，它与活性污泥特性SVI及二沉池效果有关，经验公式如下： （13-15）与微生物世代的关系决定了生物接种存活的可能性。意义很大（3）污泥回流比回流比R从二沉池返回到曝气池的回流污泥量QR与污水流量Q之比，常用%表示。 （13-16）（4）曝气时间污水接受曝气的时间t，即污水在曝气池中的平均停留时间，HRT。t = V/Q = HRT （13-18）曝气时间决定处理效果，当然与能耗、池容有关。（5）控制优势菌的参数结合泥龄、镜检生物相，可以检测优势菌群的状态。13.3 活性污泥反应动力学及应用有机物降解速度微生物增长速度溶解氧利用速度13.3.1 概述在活性污泥法系统中，人们关心的是：微生物量有机物量供氧量而这三项与 之间应该有一定的量的关系。动力学研究就是要科学地建立这些关系式，以便设计和运行管理时合理搭配各个量、营造最佳生物环境、得到最佳效果。主要内容包括以下几点：（1）有机底物降解速度与有机物浓度、活性污泥微生物量之间的关系。（2）活性污泥增殖速度与有机底物浓度、微生物量之间的关系。（3）微生物的耗氧速率与有机物降解、微生物量之间的关系。当前更为深入地研究涉及到：微观的分子生物学技术，研究污染物转移、转化方式和途径，研究优势菌群动态等。例如，我们研究生物造粒流化床技术：（1）研究内容 生物造粒流化床操作及控制条件研究 溶解氧供给及消耗过程； 水力条件及机械剪切对颗粒污泥成长的影响； 粒状颗粒污泥的形成和成长过程控制； 颗粒污泥分布及物理特性和形态学特征 颗粒污泥的粒径和密度沿流化床高度分布规律； 粒径和密度的关系、形态学分析； 颗粒污泥内部物理结构特征； 污染物在生物造粒流化床中转移转化规律 流化床内污染物分布规律及与颗粒污泥分布的关系； 悬浮物及碳源、氮源和磷在系统及颗粒内的迁移转化规律； 污染物转移转化与生物造粒流化床过程控制的关系； 微生物分布规律及群落结构动态研究 生物造粒流化床系统及颗粒内微生物群落结构和特征； 微生物群落结构与污染负荷变化的关系； 颗粒污泥的生物化学微环境； 优势微生物种群及其系统发育； 生物造粒流化床动力学模型建立 建立生物造粒流化床造粒过程动力学模型和生物降解动力学模型； 数学模拟生物造粒流化床污染物转移转化过程，优化系统控制参数。（2）研究目标 确立生物造粒流化床污水处理的最佳操作与控制条件； 明确颗粒污泥的形成过程及物理特性，揭示粒径的动态分布规律和内部结构及形态学特征； 探明有机物和氮磷等污染物在生物造粒流化床中及颗粒污泥内的迁移转化规律； 揭示颗粒污泥中微生物群落和优势菌群的分布规律及其代谢机制，判明颗粒污泥内部的生物化学微环境，明确生物造粒流化床降解有机物及除磷、脱氮的机理； 建立生物造粒流化床的造粒过程动力学模型和生物降解动力学模型；形成生物造粒型流化床污水处理技术的基础理论体系和工艺设计理论体系。13.3.2 反应动力学的理论基础（1）有机物降解与活性污泥微生物增殖曝气池是一个完整地反应体系，体系物料平衡图如下：曝气池内，微生物增殖，是因为降解有机物，同时存在微生物内源代谢导致生物量减少。即：微生物增殖速率 = 降解有机物合成的生物量速率 内源代谢速率 （13-1922）式中， Y污泥产率系数，即微生物降解1kgBOD所合成的MLSS量，kgMLSS/kgBOD；Kd自身氧化率，即微生物内源代谢的自身减少率；对于完全混合式活性污泥系统，曝气池中的微生物量物料平衡关系式如下：每日池内微生物污泥增殖量=每日生成的微生物量每日自身氧化掉的量 （13-23）式中，S0原水BOD浓度；Se处理出水BOD浓度；Q日处理水量，m3/d；V曝气池容积，m3；X曝气池中污泥平均浓度，mg/L。两边除以VX，式子变为 （13-25）即， （13-28）c为泥龄；NS为处理负荷，也称BOD比降解速率。可见高去除负荷下，污泥增长很快，导致排泥加快，污泥龄就短，生物向不够丰富，因此原水的可生化性要好。对于一个稳定的反应体系，Y、Kd是常数，可以设计实验获得。KdY一般生活污水类水质，Y=0.50.65，Kd=0.050.1；部分工业废水的Y、Kd值见p383表13-2。（2）有机物降解与需氧量同样，曝气池内，因为降解有机物，就要消耗溶解氧O2，同时微生物内源代谢也消耗溶解氧。即： 每日总需氧量 = 每日降解有机物耗氧量 + 每日自身氧化需氧量 （13-29）式中，a降解需氧率，即活性污泥微生物每代谢1kgBOD所需要的氧量，kgO2/kgBOD；b自身氧化需氧率，即每kg活性污泥每天自身氧化所需要的氧量，kgO2/kgMLSS；S0、Se、Q、V、X 同前。对于一个稳定的反应体系，a、b是常数，可以设计实验获得。将式（13-29）变换为： （13-30） （13-31）式中，污泥需氧负荷，单位量活性污泥在单位时间需氧量，kgO2/(kgMLSSd)；有机物耗氧率，去除单位量BOD的耗氧量，kgO2/(kgBODd)；从式（13-30）、（13-31）看出： ，而 前者表示，要实现高去除负荷，污泥需氧量就很大，要强曝气、耗能；后者表示，去除一定量的BOD，高去除负荷时需氧量较少，低去除负荷时需氧量较大。原因是高去除负荷泥龄c短，污泥尚未来得及降解有机物就已经被排出系统，这种情况下剩余污泥量大、且不稳定。但是属于节能的方式，AB工艺、生物造粒流化床就是如此。采用与前面相同的方法，利用式（13-30）、（13-31）作图即可求得a、b。生活污水处理系统的a=0.420.53，b=0.10.2。13.3.3 莫诺特公式及其应用（1）莫诺特（monod）公式1942年、1950年monod用纯种微生物、在单一底物下培养，实验得出微生物增殖速率与底物浓度之间的关系，如图13-8。结果与米-门于1913年测定的酶促反应速率与底物浓度之间的关系是相同的。因此，monod采用与米-门方程式相类似的公式来描述微生物比增殖速率与底物浓度之间的定量关系。S=KsS S=maxmaxv=vmaxv=vmax/2vmax 图13-8 莫诺特公式与=f(S)关系曲线 图13-8 米门方程与v=f(S)关系曲线那么，许多微生物在复杂底物下的反应也是遵循这一基本规律，因此，可以套用米-门公式来描述底物浓度与微生物比增殖速度之间的关系。得到： （13-32）式中，微生物比增殖速率，即单位生物量的增殖速率，t-1；max微生物最大比增殖速率，t-1；S有机底物浓度，mg/L；Ks饱和常数，当=max/2时的底物浓度，也称半速率常数，质量/容积。而微生物增殖与底物减少是同步的，它们之间存在一定的生成比例关系，则底物降解速率（比速率）可以描述为： （13-33） （13-34） （13-35）（2）莫诺特（monod）公式的推论 当有机物浓度很高时SKs， （13-37）说明降解速度与生物量X呈一级反应、与有机物量S无关，系统处于对数增长期阶段。 当有机物浓度很低时SKs， （13-39）说明降解速度与有机物浓度S呈一级反应、而生物量X过多，系统处于减速增长期阶段。其实底物浓度S也会限制X，SX。（3）莫诺特（monod）公式的应用对于城市污水，一般COD=400500mg/L，BOD=200300mg/L，属于较低值，可以利用式（13-39）。讨论如下： ，积分后加入边界条件 ，这与水体自净规律相同。我们与完全混合式曝气池结合起来看一下：剩余污泥Qw，Xr回流污泥RQ，Se，Xr处理水原水QSeQ+RQSeXQS0曝气池V，Se，X二沉池Xr图13-10 完全混合式活性污泥系统物料平衡图根据上图，对曝气池中的有机物列物料平衡关系式： 进入量 流出量 降解量 = 0 即， （13-40） （13-41）联合（13-39），（13-41）得： （13-42） （13-43）联合（13-41），（13-43）得： （13-44）以上关系式反映了，在低负荷曝气池中，当运行稳定时Q、S0、Se、t、V、E等之间的定量关系，其中常数参数K2、Ks、vmax代表反应体系的能力（特点），不同的反应系统中K2、Ks、vmax各不相同，需要测定获得。（4）常数参数K2、Ks、vmax的确定对于确定原污水来说，参数K2、Ks、vmax为常数，可以通过设计实验计算获得。由（13-42） 两边除以X 得： 据此计算K2。通过作图斜率即为K2。SeK2将式（13-44）变为倒式：，作图得到斜率及截距，计算得到vmax、Ks。1/SeKs/vmax1/vmax13.3.4 劳伦斯-麦卡蒂（Lawrnece-McCarty）模型（1）基本概念：微生物比增长速率，生物平均停留时间。（2）基本模型劳伦斯-麦卡蒂模型只是推导得到的，将可操控参数建立关系，更为直观。第一模型是前面式（13-28）；第二模型是前面式（13-35）变形而得。（3）模型的推论和应用 处理水有机底物浓度（出水浓度Se）与生物固体平均停留时间（泥龄c）关系： （13-48）对于一个处理系统，Ks、Kd、Y、vmax为常数，则c决定了Se。 活性污泥浓度X与c关系式： （13-50）说明污泥浓度决定着污泥龄。 活性污泥合成产率Y、表观产率Yobs与c关系： （13-51） （13-52）合成产率Y是微生物降解有机物的增长率；表观产率Yobs实测活性污泥增长率，已经扣除了因内源呼吸的减少量。设计或运行时可以通过调整泥龄来调整产泥量污泥减量技术之一。 低浓度下，处理负荷Ns与浓度Se的关系： （13-54）用于计算反应器的容积。 污泥回流比R与c关系： 权衡泥龄、回流比、水力停留时间、污泥浓度、回流污泥浓度之间的协调性，指导运行很重要。13.3.5 IWA（国际水协会）报道的活性污泥法动力学模型自学内容，可以查找相关资料学习。13.4 活性污泥法的各种演变及应用传统活性污泥处理系统，理论基础强化传统活性污泥处理系统的功能，实现低耗高效多种工艺并存，各有特点，适用性不同平 台变 革活学活用13.4.1 传统活性污泥法又称普通活性污泥法（Conventional Activated Sludge，简写CAS），工艺系统如图13-12（p390）。特征： 形式上是一个长廊，整体是推流式流态。 经历了生物增长的全过程，起端Ns较大，是对数增长期；中段Ns适中，保持减速增长期；末段Ns较低，维持内源呼吸期。 出水水质很好，90%。 产泥率较低，因为负荷低。问题： 起端曝气量不足，容易缺氧，末端曝气量过剩，效率较低； 不适合均匀曝气，寻求供氧量适中的工况； 对水量水质的变化不耐冲击。思考：回流污泥，前置反硝化。13.4.2 渐减曝气活性污泥法延池长方向曝气量变化，使之满足需求即可，节能。13.4.3 分段进水活性污泥法又称多段进水活性污泥法（Step-feed Activated Sludge，简写SFAS），工艺系统如图13-14（p391）。特征： 是推流式流态，分段进水使有机负荷相对均匀。 均匀供氧，利用率较高。 抗冲击负荷能力强，出水水质较好。 可以控制在某一阶段维持生物反应。问题：管网系统太复杂。13.4.4 吸附-再生活性污泥法如图13-15（p392），发挥回流污泥的吸附性能，适合原水SS型有机物较高的水质。对原水来说，只发挥了吸附作用、溶解性有机物尚未来得及降解。池容小、占地少、但出水效果差，一般作为预处理。13.4.5 完全混合活性污泥法原水及回流污泥进入曝气池后，快速充分混合，如图13-17（p393）；特征： 发挥稀释、吸附、均质作用； 各点处的浓度、负荷完全相同，抗冲击； 系统控制容易。问题： 浓度梯度小，有机物降解、传递动力小，降解速度慢； 污泥易产生膨胀，出水水质一般。13.4.6 延时曝气活性污泥法又称完全氧化活性污泥法。长时间曝气（一般24h）。特征： BOD及污泥均得到处理，泥量极少。 出水效果好，稳定。 二沉池内泥水分离较快，沉淀时间取小值。问题：停留时间长，池容太大，适合小水量。13.4.7 高负荷活性污泥法又称不完全曝气法，曝气时间短、BOD负荷较高、出水效果差（BOD去除率70%左右），一般作为前处理。13.4.8 纯氧曝气活性污泥法常规曝气使用空气，其中含氧量21%，因此采用纯氧（9095%）提高供氧效率。可以大大提高污泥负荷及容积负荷、缩小反应器。但是氧的制备费用较高，在场地受限时采用，要防止O2爆炸。13.4.9 选择器活性污泥法选择器（Selector Activated Sludge，简写SAS）是近年来发展和重视的，用来防止好氧生物反应器内，因丝状菌过量繁殖引起的污泥膨胀（污泥沉降性变差）。方 式：在好氧池前设置HRT很小的小反应区，图13-20，13-21。原水、回流污泥一同进入形成高负荷环境，导致丝状菌营养不足而抑制其过量生长。形式：好氧选择器、缺氧选择器、厌氧选择器。选择原理：好氧选择器（曝气供氧），由于二沉池回流污泥中的菌胶团细菌已经处于“饥饿”状态，具有较强的吸附能力，与原水接触后在515min的时间内可以大量吸附原水中的有机物，结果菌胶团细菌竞争获得较多营养基质，丝状菌缺乏营养。混合液进入完全混合曝气池后，易被利用的基质已经吸附储存于菌胶团内，供氧合适的情况下将快速繁殖，增长速率很快，而丝状菌由于缺乏营养被抑制，避免了污泥膨胀。缺氧选择器（搅拌），绝大部分菌胶团细菌能利用回流污泥中所含硝酸盐中的化合态氧作为电子受体进行繁殖，而丝状菌（球衣菌）无此能力，受到抑制。厌氧选择器（搅拌），大部分丝状菌（球衣菌）是好氧菌，绝对厌氧条件下肯定被抑制。而绝大部分菌胶团细菌是兼性菌，在厌氧条件下也可繁殖。因为厌氧环境会产生H2S，丝硫菌易繁殖，发生丝硫菌污泥膨胀，所以厌氧选择器的HRT要短。13.4.10 其他活性污泥法工艺（1）多级串联活性污泥法对于高浓度有机废水，可采用多级反应串联方式，各级的负荷、工况不同，发挥不同微生物的优势。成本较高。（2）深井/水曝气活性污泥法水中的溶解氧浓度与气体中氧（O2）的分压成正比，因此采取深井/水曝气，DO饱和值要高得多。目的是为提高溶解氧浓度。（3）浅层曝气活性污泥法前面一直讲深水曝气有利于提高溶解氧浓度，为什么又出现浅层曝气？理论基础：气泡在形成或破碎的瞬间，向水中传递氧的速率最快，而与在液体中的移动过程无关。但是移动过程会增加形成或破碎机会。因此，出现表面曝气（表曝机、射流曝气等曝气方式）。效率高、节能。给排水设计手册、书上p397表13-3列出活性污泥法系统的设计与运行参数，请查阅。13.5 曝气及曝气系统强化生物处理很重要的环节是高效供氧。曝气的作用：供氧（空气、氧气）； 搅拌（使得溶解氧、微生物、基质均匀分布，充分接触；泥水充分混合、稀释）。曝气方法：鼓风曝气（风机、输气管、扩散装置）； 机械曝气（叶轮、水跃）； 溶气曝气（射流器、溶气泵）； 联合曝气。13.5.1 氧转移原理（1）菲克（Fick）定律 （13-55）式中，vd 物质的扩散速率，单位时间单位断面上通过的物质数量，mg/m2s，类似于通量概念；DL扩散系数，物质在某种介质中的扩散能力，与温度有关，m2/s；C物质浓度；X扩散过程长度；浓度梯度。（2）双膜理论与氧总转移系数KLa （13-56）， （13-57） （13-58）Xf层流液相液膜气膜紊流O2气相紊流Cs C又 （13-59）， （13-60）式中，